Краткое и подробное руководство по null: что это такое и как его использовать

В чем смысл null? Как это nullреализовано? Когда следует использовать nullв исходном коде, а когда не следует?

Введение

nullявляется фундаментальной концепцией многих языков программирования. Он присутствует во всех видах исходного кода, написанного на этих языках. Поэтому очень важно полностью усвоить идею null. Мы должны понимать его семантику и реализацию, и нам нужно знать, как использовать nullв нашем исходном коде.

Комментарии на форумах программистов иногда показывают некоторую путаницу с null. Некоторые программисты даже стараются полностью избегать null. Потому что они считают это «ошибкой на миллион долларов» - термином, придуманным Тони Хоаром, изобретателем null.

Вот простой пример: предположим, что Алиса email_addressуказывает на null. Что это значит? Означает ли это, что у Алисы нет адреса электронной почты? Или что ее адрес электронной почты неизвестен? Или что это секрет? Или это просто означает, что email_address«не определено» или «не инициализировано»? Посмотрим. Прочитав эту статью, каждый сможет без колебаний ответить на такие вопросы.

Примечание. Эта статья не зависит от языка программирования - насколько это возможно. Объяснения являются общими и не привязаны к конкретному языку. За конкретными советами обращайтесь к руководствам по языкам программирования null. Однако эта статья содержит несколько простых примеров исходного кода, показанных на Java. Но перевести их на любимый язык несложно.

Реализация во время выполнения

Прежде чем обсуждать значение null, нам нужно понять, как nullэто реализовано в памяти во время выполнения.

Примечание: мы рассмотрим типичную реализацию null. Фактическая реализация в данной среде зависит от языка программирования и целевой среды и может отличаться от реализации, показанной здесь.

Предположим, у нас есть следующая инструкция исходного кода:

String name = "Bob";

Здесь мы объявляем переменную типа Stringи с идентификатором name, указывающим на строку "Bob".

В этом контексте важно сказать «указывает на», потому что мы предполагаем, что работаем со ссылочными типами (а не с типами значений ). Подробнее об этом позже.

Чтобы не усложнять задачу, сделаем следующие предположения:

  • Вышеупомянутая команда выполняется на 16-битном ЦП с 16-битным адресным пространством.
  • Строки кодируются как UTF-16. Они заканчиваются 0 (как в C или C ++).

На следующем рисунке показан фрагмент памяти после выполнения вышеуказанной инструкции:

Адреса памяти на картинке выше выбраны произвольно и не имеют отношения к нашему обсуждению.

Как видим, строка "Bob"хранится по адресу B000 и занимает 4 ячейки памяти.

Переменная nameнаходится по адресу A0A1. Содержимое A0A1 - B000, которое является начальным местом в памяти строки "Bob". Вот почему мы говорим: переменная nameуказывает на"Bob" .

Все идет нормально.

Теперь предположим, что после выполнения вышеуказанной инструкции вы выполняете следующее:

name = null;

Теперь nameуказывает на null.

А это новое состояние в памяти:

Мы видим, что ничего не изменилось для строки, "Bob"которая все еще хранится в памяти.

Примечание. Память, необходимая для хранения строки, "Bob"может быть позже освобождена, если есть сборщик мусора и нет других ориентиров "Bob", но это не имеет отношения к нашему обсуждению.

Важно то, что содержимое A0A1 (которое представляет значение переменной name) теперь равно 0000. Таким образом, переменная nameбольше не указывает на "Bob". Значение 0 (все биты равны нулю) - это типичное значение, используемое в памяти для обозначения null. Это означает, что сname . Вы также можете думать об этом как об отсутствии данных или просто об отсутствии данных .

Примечание. Фактическое значение памяти, используемое для обозначения, nullзависит от реализации. Например, спецификация виртуальной машины Java гласит в конце раздела 2.4. « Типы ссылок и значения»:

Спецификация виртуальной машины Java не требует кодирования конкретного значения null.

Помнить:

Если ссылка указывает на null, это просто означает, что существуетс ним не связано никакой ценности .

Технически говоря, ячейка памяти, назначенная ссылке, содержит значение 0 (все биты равны нулю) или любое другое значение, которое обозначает nullв данной среде.

Производительность

Как мы узнали в предыдущем разделе, связанные с ним операции nullчрезвычайно быстры и легко выполняются во время выполнения.

Есть всего два вида операций:

  • Инициализировать или установить ссылку на null(например name = null): Единственное, что нужно сделать, это изменить содержимое одной ячейки памяти (например, установить ее на 0).
  • Проверьте, указывает ли ссылка на null(например if name == null): Единственное, что нужно сделать, это проверить, содержит ли ячейка памяти ссылки значение 0.

Помнить:

Операции nullочень быстрые и дешевые.

Ссылка и типы значений

Пока мы предполагали работу со ссылочными типами . Причина этого проста: nullне существует для типов значений .

Зачем?

Как мы видели ранее, ссылка - это указатель на адрес памяти, в котором хранится значение (например, строка, дата, заказчик и т. Д.). Если ссылка указывает на null, то с ней не связано никакого значения.

С другой стороны, значение по определению - это само значение. Здесь нет указателя. Тип значения сохраняется как само значение. Поэтому nullдля типов значений не существует концепции .

Следующая картинка демонстрирует разницу. С левой стороны вы снова можете увидеть память в случае, если переменная nameявляется ссылкой на «Боба». Правая сторона показывает память в случае, если переменная nameявляется типом значения.

Как мы видим, в случае типа значения само значение хранится непосредственно по адресу A0A1, который связан с переменной name.

Можно было бы сказать гораздо больше о ссылочных типах и типах значений, но это выходит за рамки данной статьи. Также обратите внимание, что некоторые языки программирования поддерживают только ссылочные типы, другие поддерживают только типы значений, а некоторые (например, C # и Java) поддерживают оба из них.

Помнить:

Концепция nullсуществует только для ссылочных типов. Его не существует для типов значений .

Meaning

Suppose we have a type person with a field emailAddress. Suppose also that, for a given person which we will call Alice, emailAddress points to null.

What does this mean? Does it mean that Alice doesn’t have an email address? Not necessarily.

As we have seen already, what we can assert is that no value is associated with emailAddress.

But why is there no value? What is the reason of emailAddress pointing to null? If we don't know the context and history, then we can only speculate. The reason for nullcould be:

Alice doesn’t have an email address. Or…

Alice has an email address, but:

  • it has not yet been entered in the database
  • it is secret (unrevealed for security reasons)
  • there is a bug in a routine that creates a person object without setting field emailAddress
  • and so on.

In practice we often know the application and context. We intuitively associate a precise meaning to null. In a simple and flawless world, null would simply mean that Alice actually doesn't have an email address.

When we write code, the reason why a reference points to null is often irrelevant. We just check for null and take appropriate actions. For example, suppose that we have to write a loop that sends emails for a list of persons. The code (in Java) could look like this:

for ( Person person: persons ) { if ( person.getEmailAddress() != null ) { // code to send email } else { logger.warning("No email address for " + person.getName()); }}

In the above loop we don’t care about the reason for null. We just acknowledge the fact that there is no email address, log a warning, and continue.

Remember:

If a reference points to null then it always means that there isno value associated with it.

In most cases, null has a more specific meaning that depends on the context.

Why is it null?

Sometimes it is important to know why a reference points to null.

Consider the following function signature in a medical application:

List getAllergiesOfPatient ( String patientId )

In this case, returning null (or an empty list) is ambiguous. Does it mean that the patient doesn't have allergies, or does it mean that an allergy test has not yet been performed? These are two semantically very different cases that must be handled differently. Or else the outcome might be life-threatening.

Just suppose that the patient has allergies, but an allergy test has not yet been done and the software tells the doctor that 'there are no allergies'. Hence we need additional information. We need to know why the function returns null.

It would be tempting to say: Well, to differentiate, we return null if an allergy test has not yet been performed, and we return an empty list if there are no allergies.

DON’T DO THIS!

This is bad data design for multiple reasons.

The different semantics for returning null versus returning an empty list would need to be well documented. And as we all know, comments can be wrong (i.e. inconsistent with the code), outdated, or they might even be inaccessible.

There is no protection for misuses in client code that calls the function. For example, the following code is wrong, but it compiles without errors. Moreover, the error is difficult to spot for a human reader. We can’t see the error by just looking at the code without considering the comment of getAllergiesOfPatient:

List allergies = getAllergiesOfPatient ( "123" ); if ( allergies == null ) { System.out.println ( "No allergies" ); // <-- WRONG!} else if ( allergies.isEmpty() ) { System.out.println ( "Test not done yet" ); // <-- WRONG!} else { System.out.println ( "There are allergies" );}

The following code would be wrong too:

List allergies = getAllergiesOfPatient ( "123" );if ( allergies == null || allergies.isEmpty() ) { System.out.println ( "No allergies" ); // <-- WRONG!} else { System.out.println ( "There are allergies" );}

If the null/empty-logic of getAllergiesOfPatient changes in the future, then the comment needs to be updated, as well as all client code. And there is no protection against forgetting any one of these changes.

If, later on, there is another case to be distinguished (e.g. an allergy test is pending — the results are not yet available), or if we want to add specific data for each case, then we are stuck.

So the function needs to return more information than just a list.

There are different ways to do this, depending on the programming language we use. Let’s have a look at a possible solution in Java.

In order to differentiate the cases, we define a parent type AllergyTestResult, as well as three sub-types that represent the three cases (NotDone, Pending, and Done):

interface AllergyTestResult {}
interface NotDoneAllergyTestResult extends AllergyTestResult {}
interface PendingAllergyTestResult extends AllergyTestResult { public Date getDateStarted();}
interface DoneAllergyTestResult extends AllergyTestResult { public Date getDateDone(); public List getAllergies(); // null if no allergies // non-empty if there are // allergies}

As we can see, for each case we can have specific data associated with it.

Instead of simply returning a list, getAllergiesOfPatient now returns an AllergyTestResult object:

AllergyTestResult getAllergiesOfPatient ( String patientId )

Client code is now less error-prone and looks like this:

AllergyTestResult allergyTestResult = getAllergiesOfPatient("123");
if (allergyTestResult instanceof NotDoneAllergyTestResult) { System.out.println ( "Test not done yet" ); } else if (allergyTestResult instanceof PendingAllergyTestResult) { System.out.println ( "Test pending" ); } else if (allergyTestResult instanceof DoneAllergyTestResult) { List list = ((DoneAllergyTestResult) allergyTestResult).getAllergies(); if (list == null) { System.out.println ( "No allergies" ); } else if (list.isEmpty()) { assert false; } else { System.out.println ( "There are allergies" ); }} else { assert false;}

Note: If you think that the above code is quite verbose and a bit hard to write, then you are not alone. Some modern languages allow us to write conceptually similar code much more succinctly. And null-safe languages distinguish between nullable and non-nullable values in a reliable way at compile-time — there is no need to comment the nullability of a reference or to check whether a reference declared to be non-null has accidentally been set to null.

Remember:

If we need to know why there is no value associated with a reference, then additional data must be provided to differentiate the possible cases.

Initialization

Consider the following instructions:

String s1 = "foo";String s2 = null;String s3;

The first instruction declares a String variable s1 and assigns it the value "foo".

The second instruction assigns null to s2.

The more interesting instruction is the last one. No value is explicitly assigned to s3. Hence, it is reasonable to ask: What is the state of s3 after its declaration? What will happen if we write s3 to the OS output device?

It turns out that the state of a variable (or class field) declared without assigning a value depends on the programming language. Moreover, each programming language might have specific rules for different cases. For example, different rules apply for reference types and value types, static and non-static members of a class, global and local variables, and so on.

As far as I know, the following rules are typical variations encountered:

  • It is illegal to declare a variable without also assigning a value
  • There is an arbitrary value stored in s3, depending on the memory content at the time of execution - there is no default value
  • A default value is automatically assigned to s3. In case of a reference type, the default value is null. In case of a value type, the default value depends on the variable’s type. For example 0 for integer numbers, false for a boolean, and so on.
  • the state of s3 is 'undefined'
  • the state of s3 is 'uninitialized', and any attempt to use s3 results in a compile-time error.

The best option is the last one. All other options are error-prone and/or impractical — for reasons we will not discuss here, because this article focuses on null.

As an example, Java applies the last option for local variables. Hence, the following code results in a compile-time error at the second line:

String s3;System.out.println ( s3 );

Compiler output:

error: variable s3 might not have been initialized

Remember:

If a variable is declared, but no explicit value is assigned to it, then it’s state depends on several factors which are different in different programming languages.

In some languages, null is the default value for reference types.

When to Use null (And When Not to Use It)

The basic rule is simple: null should only be allowed when it makes sense for an object reference to have 'no value associated with it'. (Note: an object reference can be a variable, constant, property (class field), input/output argument, and so on.)

For example, suppose type person with fields name and dateOfFirstMarriage:

interface Person { public String getName(); public Date getDateOfFirstMarriage();}

Every person has a name. Hence it doesn’t make sense for field name to have 'no value associated with it'. Field name is non-nullable. It is illegal to assign null to it.

On the other hand, field dateOfFirstMarriage doesn't represent a required value. Not everyone is married. Hence it makes sense for dateOfFirstMarriage to have 'no value associated with it'. Therefore dateOfFirstMarriage is a nullable field. If a person's dateOfFirstMarriage field points to null then it simply means that this person has never been married.

Note: Unfortunately most popular programming languages don’t distinguish between nullable and non-nullable types. There is no way to reliably state that null can never be assigned to a given object reference. In some languages it is possible to use annotations, such as the non-standard annotations @Nullable and @NonNullable in Java. Here is an example:

interface Person { public @Nonnull String getName(); public @Nullable Date getDateOfFirstMarriage();}

However, such annotations are not used by the compiler to ensure null-safety. Still, they are useful for the human reader, and they can be used by IDEs and tools such as static code analyzers.

It is important to note that null should not be used to denote error conditions.

Consider a function that reads configuration data from a file. If the file doesn’t exist or is empty, then a default configuration should be returned. Here is the function’s signature:

public Config readConfigFromFile ( File file )

What should happen in case of a file read error?

Simply return null?

NO!

Each language has it’s own standard way to signal error conditions and provide data about the error, such as a description, type, stack trace, and so on. Many languages (C#, Java, etc.) use an exception mechanism, and exceptions should be used in these languages to signal run-time errors. readConfigFromFile should not return null to denote an error. Instead, the function's signature should be changed in order to make it clear that the function might fail:

public Config readConfigFromFile ( File file ) throws IOException

Remember:

Allow null only if it makes sense for an object reference to have 'no value associated with it'.

Don’t use null to signal error conditions.

Null-safety

Consider the following code:

String name = null;int l = name.length();

Во время выполнения приведенный выше код приводит к печально известной ошибке нулевого указателя , потому что мы пытаемся выполнить метод ссылки, указывающей на null. В C #, например, NullReferenceExceptionвыдается a , в Java - NullPointerException.

Ошибка нулевого указателя неприятна.

Это наиболее частая ошибка во многих программных приложениях, которая была причиной бесчисленных проблем в истории разработки программного обеспечения. Тони Хоар, изобретатель null, назвал это «ошибкой на миллиард долларов».

Но Тони Хоар (лауреат премии Тьюринга в 1980 году и изобретатель алгоритма быстрой сортировки) также дает подсказку к решению в своей речи:

Более поздние языки программирования… ввели объявления для ненулевых ссылок. Это решение, которое я отверг в 1965 году.

Contrary to some common belief, the culprit is not null per se. The problem is the lack of support for null handling in many programming languages. For example, at the time of writing (May 2018), none of the top ten languages in the Tiobe index natively differentiates between nullable and non-nullable types.

Therefore, some new languages provide compile-time null-safety and specific syntax for conveniently handling null in source code. In these languages, the above code would result in a compile-time error. Software quality and reliability increases considerably, because the null pointer error delightfully disappears.

Null-safety is a fascinating topic that deserves its own article.

Remember:

Whenever possible, use a language that supports compile-time null-safety.

Note: Some programming languages (mostly functional programming languages like Haskell) don’t support the concept of null. Instead, they use the Maybe/Optional Patternto represent the ‘absence of a value’. The compiler ensures that the ‘no value’ case is handled explicitly. Hence, null pointer errors cannot occur.

Summary

Here is a summary of key points to remember:

  • If a reference points to null, it always means that there is no value associated with it.
  • In most cases, null has a more specific meaning that depends on the context.
  • If we need to know why there is no value associated with a reference, then additional data must be provided to differentiate the possible cases.
  • Allow null only if it makes sense for an object reference to have 'no value associated with it'.
  • Don’t use null to signal error conditions.
  • The concept of null exists only for reference types. It doesn't exist for value types.
  • In some languages null is the default value for reference types.
  • null operations are exceedingly fast and cheap.
  • Whenever possible, use a language that supports compile-time-null-safety.